张维振 杜毅博 张伟杰，2 吴 淼

（1.中国矿业大学 （北京），北京市海淀区，100083；2.华北科技学院机电工程系，河北省三河市，065201）

基于双频激电法的煤巷综掘超前探测系统研究＊

张维振1杜毅博1张伟杰1，2吴 淼1

（1.中国矿业大学 （北京），北京市海淀区，100083；2.华北科技学院机电工程系，河北省三河市，065201）

提出了一种基于双频激电法的煤巷综掘超前探测系统，针对煤巷掘进前方地质异常的探测，利用巷道中现有锚杆作为电极，向掘进区域发射双频电流，通过分析区域内介质的激发极化信息判断掘进前方隐伏的地质构造，采用角度扫描和深度扫描方式确定异常体的位置。该系统可与掘进机配合使用，且具有探测速度快、精高度，实时性好、操作方便等优点。

掘进工作面 超前探测 激发极化 双频激电法 角度扫描 深度扫描

“有掘必探，先探后掘”是煤矿掘进必须遵循的原则。随着井下掘进设备逐步实现机械化、自动化，掘进效率不断提升，目前的超前探测水平难以满足快速、高效掘进的要求，“探、掘”矛盾已成为制约煤矿安全高效生产的一大难题。 “探、掘”矛盾在于尚未有一种成熟有效的物探方法及设备能较为准确的预报掘进前方隐伏的地质构造，进而保障掘进工作安全、快速进行。

目前煤矿井下采用的超前探测方法大多是井上物探方法在井下的变相应用，通常采用的探测方法包括瞬变电磁法、地质雷达法和地震波法等，但这些方法要实现煤矿井下的超前探测，仍存在探掘分离、预报准确率低等一系列问题，并且煤矿井下环境复杂，所以下井电气设备必须满足防爆要求，这对设备的电气参数有更为严格的限制。

因此，研发适用于煤矿井下超前探测技术与设备具有重要的现实意义。基于双频激电法的煤巷综掘超前探测系统采用了双频激电法探测技术，对煤巷中含水地质构造、断层、陷落柱等地质异常有很好的探测效果，并且该系统受煤巷中复杂环境和机械设备的影响较小，更适合煤巷地质异常的超前探测。

1 双频激电法原理

双频激电法是基于岩石的激发极化 （Induced Polarization）现象，地下岩体在人工电场 （一次电场）作用下会发生复杂的电化学过程，形成一个随时间增加而增长的极化电场 （二次电场），他们的叠加称为总场。

为了获得明显的激发极化效应，双频激电法采用两个不同频率的电流来激发，如图1所示，通过发射电极A、B向地下供入高、低频混合电流，低频电流使探测区域内介质充分激发，测得低频电位差ΔVL中含有足够的二次场电位，而高频电流使介质来不及极化，测得高频电位差ΔVH接近于一次场电位。高、低频电位差全部包含于测量电极M、N所测电位差ΔVMN中。

图1 双频激电法探测示意图

PFE值可有效反映探测区域地质构造的极化程度。岩体性质影响岩体极化率高低，如果地下岩体存在如金属、水体等易极化地质构造，测得的PFE值将比未含异常体时高，从而可判断异常地质结构的存在。

双频激电法一般采用中梯装置进行探测，测量电极MN在AB中间的三分之一地段逐点测量，计算各测量点处PFE值，并绘制PFE值曲线。根据PFE值及其变化趋势，可以判断出探测区域

双频激电法将ΔVMN中的高、低频电位差分离，用二次场电位差与总场电位差的百分比PFE（Percent Frequency Effect）值来表征上述激发极化现象，定义为：内隐含的地质构造的大致位置。

2 双频激电法在煤矿井下的应用

双频激电法主要用于野外对金、银等贵金属和铜、铅、锌等有色金属矿产资源的勘查和地下水资源勘查，其探测方向向下，而煤巷的超前探测，异常体位于掘进的前方，需向前探测，所以煤巷综掘超前探测系统采用二极装置的变形形式，如图2所示。

图2 二极装置示意图

二极装置的特点是供电电极B和测量电极N均位于巷道后方 “无穷远”处，无穷远是相对概念，指相对于A极电位小到可以忽略的位置。通过移动AM电极进行逐点测量，以确定异常体位置。

二极装置在煤巷超前探测应用的示意图如图3所示，发射电极A向探测区域发射双频电流，形成探测电场，异常体在电场的激励下会发生极化现象，极化信息被反映在两测量电极MN所测电位差ΔUMN中，通过分析PFE值曲线就可以判断探测区域内隐含的地质构造和其大致规模。

图3 二极装置在煤巷超前探测应用示意图

3 煤巷综掘超前探测系统及其方法

3.1 系统总体结构

基于双频激电法的超前探测系统主要用于煤巷掘进面的超前探测，其组成如图4所示，主要由煤巷综掘超前探测仪、液压式探测发射电极、多个约束电极和接地电极组成。

其中，超前探测仪包括发射模块和接收模块两部分，发射模块通过电极发射双频电流；接收模块接收和处理极化信息并判断前方地质构造异常情况；探测电极的作用是向前方围岩发射双频电流，在围岩中形成探测电场；约束电极的作用是发射与探测电极同频电流，在围岩中形成约束电场，利用电场同极性相斥的原理改变探测电场原来的传播方向，使其方向可以控制。接地电极的作用是使电场形成回路。

3.2 电极布置形式

如图4所示，探测电极安装在液压缸活塞缸杆端头，液压缸缸体固定在掘进机机身上，探测时，活塞杆伸出，将发射电极插入待测区域煤岩的几何中心位置。8个约束电极以探测电极为中心，呈正四边形插入待测区域煤岩中。接地电极放置于掘进巷道后方 “无穷远”处，考虑到煤矿井下的安全掘进距离，接地电极可置于掘进巷道后方70～80 m处，此时接地电极可视为 “无穷远”。

图4 约束电场法煤巷机载超前探测系统

3.3 系统探测方法

在电极布置好之后，探测仪发射模块通过探测电极和约束电极发射同频率的双频合成波电流，分别在掘进待测区域介质中形成探测电场和约束电场，探测电场在约束电场的作用下向前传播，前方介质在电场的激励下会发生极化效应。

发射电极同时也作为测量电极，探测仪接收模块接收测量电极和接地电极间的极化信息。通过对极化信息进行放大和滤波处理，分离其中的高、低频电位差成分，利用公式 （1）计算PFE值并绘制PFE值曲线。根据PFE值及其变化趋势，从而判断掘进前方是否存在含水地质构造、断层、陷落柱等地质异常。

3.4 系统半空间扫描探测的实现

有害地质构造可能不仅存在于掘进正前方，还可能存在于顶、底板或侧帮处，所以超前探测要对掘进前方整个半空间实现扫描探测。扫描探测包括深度扫描和角度扫描，深度扫描确定异常体距离，角度扫描确定异常体偏离正前方的角度，从而确定异常体的确切位置和大小。

在约束电场的作用下，探测电场形成喇叭口的形状向前传播，当8个约束电极的电流强度相等时，每个约束电极产生的约束电场对探测电场的约束作用都相同，探测电场的传播方向为正前方，如图5（a）所示，极化信息被包含在喇叭口探测的区域内。当增大全部电极的电流强度，探测范围逐渐由1增加到2的位置，以此实现了超前探测的深度扫描。

当增大某一侧约束电极的电流强度时，探测方向偏向该侧电极相反的方向；当增大四边形两条相交边上约束电极电流强度时，探测方向偏向其对角的方向。通过调节各约束电极电流强度大小，可实现各个角度方向的偏转，如图5（b）所示，以此方式实现了超前探测的角度扫描。

图5 深度扫描和角度扫描示意图

通过发射模块对探测电极和约束电极的联合控制，就可以实现深度扫描和角度扫描的结合，即超前探测的半空间扫描。通过半空间扫描可以获取掘进面前方地质构造的全部激发极化信息，从而判断掘进区域内的地质构造。

4 模型试验研究

针对煤矿井下工作环境特点研发了煤巷综掘超前探测仪的原理样机系统。仪器系统的主要特点如下：

（1）系统主要由发射模块 （微处理器、驱动电路、发射电路）、智能采集仪、电缆以及电极等组成，电极布置在模拟巷道的掘进面上。

（2）发射模块的主要特色是实现了恒流发射双频电流，供电电流范围为1～50 m A。

（3）智能采集仪可实现微小信号的接收、滤波处理和实时显示。

4.1 含水断层实验台

为了对实际工程中的双频激电法超前探测进行模拟，设计了以实际掘进地质构造为模型，缩小一定比例的含水断层地质构造实验台，如图6所示，实验台分为砖垒箱体、异常箱体和巷道模型3个部分。可从砖垒结构中推出，箱体内介质可进行更换。发射电极和约束电极布置在巷道模型前端的掘进面上，无穷远电极布置在巷道后方3 m处。

4.2 实验过程

（1）将异常箱体分别装入含水石英砂和砂土做为异常地质构造，比较两种情况下极化电位差变化。

（2）将一含水海绵埋入掘进前方某一位置，采用角度扫描的方式，探测电场的轴线以掘进前方砖垒箱体左壁为起点，逐步向右壁进行扫描，从而确定异常体位置。

实验数据经过统计和分析得到有、无异常体时电位差对比曲线和角度扫描过程中的电阻率变化曲线，如图7和图8所示。

4.3 实验结论

（1）在异常箱体中加入砂土视为没有异常地质构造，加入含水石英砂视为含水断层地质构造，如图7中曲线所示，两种情况下的极化电位差有明显变化，说明采用此种方法可确定异常地质构造的存在。

图6 含水断层实验台

砖垒箱体中装入砂土作为围岩材料。异常箱体中装入含水石英砂作为含水断层，箱底装有滑轮，

（2）采用角度扫描的方式，可确定异常地质构造的大致位置，如图8中曲线所示，探测电场形成喇叭口在同一平面内从左到右扫描，电阻率不断变化，电阻率最低的位置即为含水海绵所埋的位置。

5 结语

本系统充分考虑了煤矿井下安全标准，可用于对煤巷前方含水地质构造、断层、陷落柱等地质异常的超前探测工作，具有相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛推广价值，其具有下列优点：

（1）采用了超前探测仪与掘进机一体化设计，可利用打好的锚杆作为探测电极，克服了掘进面机械设备繁多、空间有限造成的杂乱、拥堵，即简捷性好。

（2）采用双频激电法做为探测原理，对含水地质构造、断层、陷落柱等异常地质构造有较好的预报效果。

（3）采用角度扫描和深度扫描方式，实现异常体的定向和定深，可较为准确地确定异常体的规模。

（4）本系统采用短距离，多频次的探测方式，探测时间短，多次探测可增加预报的准确率，并随着实时掘进，可验证预报的准确性。

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Advance detecting system based on dual-frequency IP method for coal roadway mechanized tunneling

Zhang Weizhen1，Du Yibo1，Zhang Weijie1，2，Wu Miao1
（1.China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.Department of Mechanical and Electronic Engineering，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 101601，China）

In order to detect the geological anomaly hidden in front of the coal roadway，this paper puts forward a kind of advance detection system based on dual-frequency IP method for coal roadway mechanized tunneling，which takes advantage of the existing roadway anchors as electrodes to launch dual-frequency current to the heading area.By analyzing the induced polarization information of the medium in the heading area，it can determine the hidden geological structure ahead of the roadway.By using the angle scanning and depth scanning，it can determine the location of the abnormal body.This system，which has high detecting speed and precision，good realtime performance，easy operation and other advantages，can be applied together with the tunnel boring machines.

tunneling face，advance detection，induced polarization，dual-frequency IP method，angle scanning，depth scanning

TD166

A

国家 “十二五”863计划重大项目（2012AA06A405）

张维振 （1987-），男，北京市人，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。

（责任编辑 张毅玲）